地理信息系统分析.docx
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地理信息系统分析
第一章地理信息系统导论
第一节地理信息系统的产生
信息革命的影响，要求地理学要顺应时代的要求，跟上时代的步伐，地理学要高度现代化。
计算机技术、自动化技术等的开展为GIS的形成奠定了坚实的根底；地理信息系统脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有存贮、分析和显示地理信息的功能。
计算机制图技术的开展对GIS的产生起了有力的促进作用；海量资源信息，客观上需要GIS为之效劳；由于社会的进步，人类开始觉悟到对于自然资源的利用，不能是简单的掠夺，而应当合理的管理利用，并且把开发和保护相结合。
对自然资源应采取科学的管理，进行定量分析和预测，从而为宏观科学决策提供依据，这些为GIS的产生提供了应用根底。
基于以上社会经济与技术开展的历史背景和原因，地理信息系统于60年代中期开始形成并逐渐开展起来。
第二节地理信息系统的根本概念
一、数据与信息
数据是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示，随载荷它的物理设备的形式而改变。
信息是向人们或机器提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。
它不随载体的物理形式的改变而改变。
信息的特点：
（1）信息的客观性
（2）信息的适用性（3）信息的传输性（4）信息的共享性
数据与信息的关系：
信息与数据是不可别离的，数据是信息的表达，信息是数据的内涵。
数据本身并没有意义数据只有对实体行为产生影响时才成为信息
二、地理信息与地图
根本概念：
地理数据是指表示地理环境诸要素的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律的数字、文字、图象和图形等的总称。
地理信息是指有关地理实体的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律的表征和一切有用的知识。
地图是将地理环境诸要素按照一定的数学法那么，运用符号系统并经过制图综合缩绘于平面上的图形，以传递各种自然和社会现象的数量与质量的空间分布和联系以及随时间的开展变化。
地图与地理信息的关系
1.地图是地理信息载体
2.地图是地理信息的传统数据源
3.地图是GIS的查询与分析结果的表示方法
三、地理系统与地理信息系统
地理系统是一个多层次的巨系统，它具有多层次的结构和泛目标的功能，需要多学科的知识结构和多种形式技术体系的支持。
地理系统是认识地理圈的事物、现象和发生开展过程，理解物质迁移与能量转换内外循环的规律，认识地理规律、掌握地理信息，以调控资源与环境为目的的逻辑思维过程。
地理信息系统是以地理空间数据库为根底，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。
简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。
地理系统是地理信息系统的科学依据；地理信息系统是研究地理系统的科学技术保证。
第三节地理信息系统的特点和功能
一、地理信息系统的特点
1.公共的地理定位根底；
2.具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力
3.系统以分析模型驱动，具有极强的空间综合分析和动态预测能力，并能产生高层次的地理信息；
4.以地理研究和地理决策为目的，是一个人机交互式的空间决策支持系统。
二、地理信息系统的分类
1、按功能分类：
〔1〕专题地理信息系统（ThematicGIS）〔2〕区域地理信息系统（RegionalGIS）
〔3〕地理信息系统工具（GISTools）
2、按内容分类：
〔1〕城市信息系统〔2〕自然资源查询信息系〔3〕规划与评估信息系统
土地管理信息系统等。
三、地理信息系统的功能
1、数据输入、存贮和编辑2、操作运算3、数据查询和检索4、应用分析
5、图形显示和结果输出6、数据更新
四、地理信息系统的应用
1.统计与量算；2.规划与管理；3.预测与监测；4.辅助决策
第四节地理信息系统的组成
一、GIS的硬件系统
二、GIS的软件系统
三、地理数据
地理数据分类
几何数据：
几何坐标
关系数据：
1、度量关系2、延伸关系3、拓扑关系
属性数据：
1、定性2、定量
四、用户
系统组织、管理、维护和数据更新、应用程序开发、信息提取、地理决策
第五节地理信息系统的研究内容
一、研究内容
GIS根本理论
1、概念、定义、内涵2、构成、特点、功能和任务3、理论体系4、开展历史及开展趋势
GIS技术系统
1、硬件配置2、数据结构与表示3、输入输出系统4、地理数据管理
5、用户界面6、GIS工具软件研制
应用方法
1、应用系统设计2、数据采集与校验3、专题分析模型4、3S结合5、地学专家系统
二相关学科树
第六节GIS开展趋势
一、地理信息系统的开展概况
1.起步阶段〔60年代〕，注重空间数据的地学处理。
1963年，加拿大测量学家R.T.Tomlinson首先提出GIS这一术语，建立加拿大地理信息系统〔CGIS〕；1969年，ESRI〔环境系统研究所〕建立；1969年，Integraph公司建立。
2.开展阶段〔70年代〕，注重空间地理信息的管理，受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视。
1978年，ERDAS成立。
3.推广应用阶段〔80年代〕，注重空间决策支持分析。
1981年，ESRIARC/INFOGIS发布；1985年，GPS成为可运行系统；1986年，MapInfo建立；1986年，SPOT卫星首次发射；1987年，地理信息系统的国际杂志出版；1988年，美国人口调查局第一次公开发布TIGER；1988年，GISWorld首次发行；1989年，Ingegraph发布MGE；
4.用户时代〔90年代后〕,注重GIS社会应用与效劳，GIS技术迅猛开展。
控件式GIS成为GISTools的开展方向;WebGIS蓬勃开展;三维GIS崭露头角。
ARC/INFO〔ArcView、ArcObject、ArcIMS〕，GENAMAP，MGE〔ModularGISEnvironment〕〔GeoMedia〕，MapInfo〔MapinfoProserver、MapX、MapXtreme、SpatialWare〕，ERDAS
二、我国GIS的开展
1.准备阶段〔70年代〕2.试验阶段〔80年代〕3.全面开展阶段〔90年代〕
4.国产主流GIS软件：
GeoStar，MapGIS，SuperMap，CityStar
三、地理信息系统的开展趋势
（1）GIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学日趋完善的技术体系；
（2） 空间数据结构与数据管理的研究更加深入；（3） GIS应用模型开发日趋加强；
（4） GIS智能化；（5） GIS网络化；（6） 三维GIS的研究不断深入；
（7） 宏观与微观应用进一步加强，并形成新的产业。
第二章地理数据结构及其文件组织
学习目标
·理解地理空间信息的概念
·掌握地理空间信息的描述方法
·理解地理数据分类描述的方法
·理解和掌握地理空间数据的拓扑关系
·掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法
·了解栅格与矢量数据之间的转化方法
重点：
地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。
难点：
拓扑结构、栅格数据编码
一、地理空间信息
1．地理空间〔GeographicSpace〕是指物质、能量、信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。
2．地理信息
地理信息是一个时空过程，它存在于一定物质、能量载体，并能从一种载体向另一种载体进行转移，从而形成所谓的信息流。
按照认知关系可将地理信息载体化分为地理主体和地理对象两种。
二、地理空间信息的描述
是建立在地理空间坐标系根底上的
地理坐标〔经度、纬度〕是描述地理空间信息最直接的方法。
平面直角坐标系（X,Y）建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。
地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论根底在于旋转椭球体和地图投影变换。
三、地理数据的分类描述
定名〔Nominol〕量：
定性而非定量地对众多地理事物进行区分和标识。
如北京、天津、石家庄等；长江、黄河、鸭绿江等；白洋淀、洪泽湖和太湖等
顺序〔Ordinal〕量：
通过排序来区分和标识地理现象的量称为顺序量。
它是按照地理数据的等级序列，由低到高〔或由高到低〕进一步细分的
间隔〔Interval〕量：
利用某种标准单位〔可以是任意的〕作为间隔量来表示不同的量，是一种较精确区分和标识地理现象的测量方法。
比率〔Ratio〕量：
比率量是间隔量的精确化。
它提供的定量值是具有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据
第二节地理空间数据类型
一、地理数据的根本特征
空间特征：
表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。
空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。
属性特征：
表示实体的特征。
如名称、分类、质量特征和数量特征等。
时间特征：
描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。
二、地理数据的来源
地图数据：
地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源
遥感数据：
各种遥感数据及其制成的图像资料〔航片、卫片〕包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据
统计数据、实测数据及各种文字报告：
各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等
三、地理空间数据的类型
1.类型数据：
居民点、交通线、土地类型分布等。
2.面域数据：
多边形中心点、行政区域界限和行政单元3.网络数据：
道路交叉点、街道和街区等。
4.样本数据：
气象站、航线和野外样方的分布区等。
5.曲面数据：
高程点、等高线和等值区域。
6.文本数据：
如地名、河流名和区域名称。
7.符号数据：
点状符号、线状符号和面状符号等。
第三节地理信息的空间关系
一、地理空间数据的拓扑关系
拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法。
在GIS中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。
拓扑邻接：
同类元素之间的拓扑关系。
拓扑关联：
不同类元素之间的拓扑关系。
拓扑包含：
同类不同级元素之间的拓扑关系。
〔1〕确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离
〔2〕利于空间要素查询〔3〕重建地理实体
二、地理空间信息的方向关系
⏹方向关系：
地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。
⏹描述空间实体的方向关系，对于点状空间实体只要计算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可，该夹角称为连线的方位角。
基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵线方向三种。
⏹同样计算点状和线状空间实体、点状和面状空间实体时，只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点状实体，然后按点状实体来求解方向关系即可。
三、地理空间信息的度量关系
⏹度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。
⏹这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种距离，如A实体距离B实体100m。
也可以应用与距离概念相关的术语，如远近等进行定性的描述。
第四节地理信息空间数据结构
矢量数据结构
矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。
特点：
定位明显，属性隐含。
获取方法：
（1）手工数字化法；
（2）手扶跟踪数字化法；（3）数据结构转换法。
栅格数据结构
栅格结构是以规那么的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。
特点：
属性明显，定位隐含。
获取方法：
（1）手工网格法；
（2）扫描数字化法；
（3）分类影像输入法；
（4）数据结构转换法。
矢量结构与栅格结构的比较
比较内容
矢量结构
栅格结构
数据结构
复杂
简单
数据量
小
大
图形精度
高
低
图形运算、搜索
复杂、高效
简单、低效
软件与硬件技术
不一致
一致或接近
遥感影像格式
要求比较高
不高
图形输出
显示质量好、精度高，但本钱比较高
输出方法快速，质量低，本钱比较低廉
数据共享
不易实现
容易实现
拓扑和网络分析
容易实现
不易实现
第三节地理数据的编码方法
一、编码的概念和意义
地理数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。
地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。
栅格结构编码方法
直接栅格编码
链码（chainEncoding）
游程长编码（Run_lengthEncoding）
块码
四叉树编码（quarter_treeEncoding）
3、游程长度编码
（1）只在各行〔或列〕数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；
逐个记录各行〔或列〕代码发生变化的位置和相应代码。
5、四叉树编码
是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割〔2n×2n，且n>1〕，直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。
四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。
不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。
从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。
为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n×2n的栅格阵列。
n为极限分割次数，n＋1是四叉树最大层数或最大高度
直接栅格编码：
简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型〔栅格文件〕；
链码：
压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；
游程长度编码：
在很大程度上压缩数据，又最大限度的保存了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；
块码和四叉树编码：
具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。
矢量结构编码方法
1、点实体矢量编码方法
2、线实体矢量编码方法
（1）唯一标示码
（2）线标示码（3）起始点（4）终止点（5）坐标对序列（6）显示信息（7）非几何属性
3、多边形矢量编码方法
多边形环路法:
由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成
树状索引编码法:
对所有边界点数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系
树状索引法
拓扑结构编码法:
形成完整的拓扑结构
四、属性数据编码方法
〔1〕登录局部〔2〕分类局部〔3〕控制局部
〔1〕管理效率高〔2〕适用性好〔3〕接口方便
第六节矢量结构与栅格结构的相互转换
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
●矢量数据转换成栅格数据后，图形的几何精度必然要降低，所以选择栅格尺寸的大小要尽量满足精度要求，使之不过多地损失地理信息。
为了提高精度，栅格需要细化，但栅格细化，数据量将以平方指数递增，因此，精度和数据量是确定栅格大小的最重要的影响因素。
●栅格尺寸确定
①计算假设干个小图斑的面积S〔i＝1，2，…，n〕；
②求小图斑面积平均值＝；
③求栅格尺寸L＝〔〕1/2。
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
点的栅格化
直线栅格化
直线插补法
扫描线法
面域的栅格化
直线插补法
扫描线法
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
1、多边形边界提取
2、边界线追踪：
边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标
3、拓扑关系生成：
对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。
4、去除多余点及曲线圆滑：
由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。
第三章GIS数据管理
学习目标：
1、掌握数据的层次单位2、了解数据间的逻辑关系
3、了解常用的数据文件4、了解数据库的根本概念
5、了解数据库的特点和结构6、理解数据库管理系统、数据平安和数据更新
7、理解传统数据库模型
重点：
数据库模型的分类和特点
难点：
面向对象的数据库模型
第一节数据层次与文件组织
数据项：
最根本的不可分割的数据单位,具有独立的逻辑意义
数据项组：
逻辑上具有某种共同标志的假设干数据项组成的
记录：
数据项或数据项组集合,对文件进行存取操作的根本单位
文件：
给定类型逻辑记录的全部具体值的集合
数据库：
文件的集合，文件之间存在某种联系，不能孤立存在
二、常用数据文件
顺序文件：
它是物理顺序与逻辑顺序一致的文件
随机文件：
文件中的贮存是根据记录关键字的值，通过某种转换方法得到一个物理存贮位置，然后把记录存贮在该位置上。
索引文件：
即带有索引的文件，它只能建立在随机存取介质上
倒排文件：
按照一些辅关键字来组织索引称为辅索引，带有这种辅索引的文件称为倒排文件
二、数据库分类
存储信息特征
事物管理数据库
地理信息数据库
〔1〕用户级用户使用的数据库对应于外部模式，它是用户与数据库的接口，也就是用户能够看到的那局部数据库，它是数据库的一个子集。
〔2〕概念级概念数据库对应于概念模式，简称模式，是对整个数据库的逻辑描述，也就是数据库管理员看到的数据库。
〔3〕物理级物理数据库对应于内模式，又称为存贮模式，内模式描述的是数据在存贮介质上的物理配置与组织，是存放数据的实体，也是系统程序员才能看到的数据库。
数据库管理系统：
数据库管理系统是处理数据库存取和各种管理控制的软件，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。
数据库定义：
提供书写各种模式的语言及其支撑软件，并把各种定义信息也存贮于系统之中。
它勾画出数据库的框架。
数据库的装入：
应用数据装入数据库
a）键盘输入；
b）接受另一个系统的数据文件
数据管理：
运行控制，数据存取、更新；数据完整性、有效性；数据公享。
数据库维护：
重新定义，数据重新组织；性能监督与分析；数据库整理；故障恢复；
数据库通讯：
操作系统接口处理，各种语言接口；远程操做接口处理。
DBMS组成
语言处理程序：
数据描述语言〔DDL〕，数据操作语言〔DML〕；终端命令解译。
运行控制程序：
系统控制，数据存取；数据更新；并发控制；数据完整性。
建立与维护程序：
数据装入，性能监控；工作日志；重新组织；数据转储；系统恢复。
SQL语言：
数据查询〔DataQuery〕数据定义〔DataDefinition〕
数据操纵〔DataManipulation〕数据控制〔DataControl〕
数据库管理员
1、决定数据库的信息内容2、数据库系统的联络员3、决定存储结构和访问策略
4、决定系统的保护策略5、监督系统工作
第二节传统数据库模型
1.关系模型
关系模型
关系模型是一种数学化的模型，它是将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表。
实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表，在数学上把这种二维表叫做“关系〞。
这些关系表的集合就构成了关系模型。
关系模型主要优点是：
数据结构灵活、清晰，可以通过数学运算进行各种查询、计算和修改；数据描述具有较强的一致性和独立性。
缺点时当关系很复杂时，计算机需要执行一系列的数据操作，比较费时。
层次模型结构
层次层次模型所表达的根本联系是一对多的关系，它把数据按其自然的层次关系组织起来，以反响数据之间的隶属关系。
层次模型的优点是模型层次清楚、结构清晰，较容易实现。
尽管每个记录只有一个双亲，当从子女查找双亲，只有唯一的结果，但查找比较麻烦，需要大量的索引文件，而且某种属性值可能要重复屡次，导致数据冗余度增加，当对层次模型进行修改时，只有当新记录有上属记录时才能插入。
删除一个记录其所有下属记录也同时被删除。
第三节地理空间数据库
一.地理空间数据
与空间位置有关的各种地理信息，或者是可以用地图来描述的各种地理信息。
1.位置信息2.资源与环境信息3.社会经济信息
二.地理空间数据库的数据结构
拓扑结构拓扑结构
多边形结构
格网结构
点记录文件结构
三.地理空间数据库的内容
由于地理空间数据的多源性，就决定了地理空间数据库的多样性。
地理信息数据来自完全不同的领域和部门，数据的形式有图形、图像、文字、统计等多种类别。
目前地理空间数据库包括如下几种“分立〞的子数据库。
（1）以地形内容为代表的地理根底数据库。
（2）以统计数据为代表的专题数据库。
（3）以遥感图像数据为代表的栅格数据库。
（4）以DTM、环境监测数据为代表的网格数据库
四.地理数据库的设计过程
了解用户需求→确定研究区域范围→组织和描述数据→定义数据库结构→分区→数据输入
数据字典（数据目录、元数据）〔MetaData
1.定义：
描述数据库中各种数据属性与组成的数据集合，它是数据库设计与管理的有力工具。
简言之：
关于数据的数据
2.数据字典的主要内容：
数据项〔数据项名、含义、类型、长度、取值等〕
数据结构〔数据结构名、组成成分、等〕
数据流〔数据流名、流入流出过程名、组成等〕
数据存储〔存储名、数据量、存取方式、操作方式〕
加工过程〔加工过程名、加工的简要说明〕
第四节面向对象数据库系统
1、传统数据库管理地理空间数据的局限性
●传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符
●传统数据库系统管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定的空间关系
●传统数据库系统存贮的数据通常为等长记录的原子数据
●传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息
2、向对象方法中的根本概念
（1）对象与封装性
（2）分类（3）概括（4）联合（5）聚集
面向对象方法的集合抽象类型
A、空间地物的几何数据模型
B、拓扑关系与面向对象模型
这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与节点的拓扑关系。
同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享和几何拓扑关系的建立也到达一致。
数据管理设计
●文件管理
●系数据库管理
●文件结合关系数据库管理
●面向对象数据库管理
3、向对象方法的数据抽象技术和数据抽象工具
4、面向对象的集合抽象类型
5、面向对象的属性数据模型
6、面向对象数据库系统的实现
第四章地理数据输入与处理
第一节数字采集方式
1.手工方式：
通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键盘输入。
主要用于属性数据的输入。
2.手扶跟踪化数字方式：
手扶跟踪数字化仪是一种图形数字化设备，是目前常用的地图数字化方式〔生成矢量数据。
〕
3.扫描方式：
扫描仪是一种图形、图象输入设备，可以快速地将图形、图象输入计算机系统，是目前开展最快的数字化设备〔生成栅格数据。
〕
4.影像处理和信息提取方式：
从遥感影
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